Linux內(nèi)核是如何巧妙的初始化各個模塊的
相信很多在研究linux內(nèi)核源碼的同學(xué)，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一些模塊的初始化函數(shù)找不到調(diào)用者，比如下面的網(wǎng)絡(luò)模塊的初始化函數(shù)：
- // net/ipv4/af_inet.c
- static int __init inet_init(void)
- {
- ...
- /*
- * Set the IP module up
- */
- ip_init();
- /* Setup TCP slab cache for open requests. */
- tcp_init();
- /* Setup UDP memory threshold */
- udp_init();
- ...
- }
- fs_initcall(inet_init);
即使你在整個內(nèi)核代碼中搜索，也找不到任何地方調(diào)用這個函數(shù)，那這個函數(shù)到底是怎么調(diào)用的呢？
秘密就在這個函數(shù)之后的一行代碼里：
- fs_initcall( inet_init);
在該行代碼中，fs_initcall是一個宏，具體定義如下：
- // include/linux/init.h
- #define ___define_initcall(fn, id, __sec) \
- static initcall_t __initcall_##fn##id __used \
- __attribute__((__section__(#__sec ".init"))) = fn;
- ...
- #define __define_initcall(fn, id) ___define_initcall(fn, id, .initcall##id)
- ...
- #define fs_initcall(fn) __define_initcall(fn, 5)
在該宏展開后，上面宏調(diào)用的結(jié)果，大致像下面這個樣子：
- static initcall_t __initcall_inet_init5 __attribute__((__section__(".initcall5.init"))) = inet_init;
由上可見，fs_initcall宏最終是定義了一個靜態(tài)變量，該變量的類型是initcall_t，值是宏參數(shù)表示的函數(shù)地址。
initcall_t類型的定義如下：
- typedef int (*initcall_t)(void);
由上可見，initcall_t是一個函數(shù)指針類型，它定義的變量會指向一個函數(shù)，該函數(shù)的參數(shù)要為空，返回類型要為int。
我們可以再看下上面的 inet_init 方法，該方法確實符合這些要求。
綜上可知，fs_initcall宏定義了一個變量 __initcall_inet_init5，它的類型為initcall_t，它的值為inet_init函數(shù)的地址。
到這里我相信很多同學(xué)會想，linux內(nèi)核一定是通過這個變量來調(diào)用inet_init函數(shù)的，對嗎？
對，也不對。
對是因為內(nèi)核確實是通過該變量指向的內(nèi)存來獲取inet_init方法的地址并調(diào)用該方法的。
不對是因為內(nèi)核并不是通過上面的__initcall_inet_init5變量來訪問這個內(nèi)存的。
那不用這個變量，還能通過其他方式訪問這個內(nèi)存嗎？
當(dāng)然可以，這正是linux內(nèi)核設(shè)計的巧妙之處。
我們再來看下上面的宏展開之后，靜態(tài)變量__initcall_inet_init5的定義，在該定義中有如下的一些代碼：
- __attribute__((__section__(".initcall5.init")))
該部分代碼并不屬于c語言標(biāo)準(zhǔn)，而是gcc對c語言的擴展，它的作用是聲明該變量屬于 .initcall5.init這個section。
所謂section，我們可以簡單的理解為對程序所占內(nèi)存區(qū)域的一種布局和規(guī)劃，比如我們常見的 section有 .text用來存放我們的代碼，.data或.bss用來存放我們的變量。
通過這些section的定義，我們可以把程序中的相關(guān)功能放到同一塊內(nèi)存區(qū)域中，這樣來方便內(nèi)存管理。
除了這些默認的section之外，我們還可以通過gcc的attribute來自定義section，這樣我們就可以把相關(guān)的函數(shù)或變量放到相同的section中了。
比如上面的__initcall_inet_init5變量就屬于.initcall5.init這個自定義section。
在定義了這些section之后，我們可以在鏈接腳本中告訴linker，這些section在內(nèi)存中的位置及布局是什么樣子的。
對于x86平臺來說，內(nèi)核的鏈接腳本是：
- arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S
在該腳本中，對.initcall5.init等這些section做了相關(guān)定義，具體邏輯如下：
- // include/asm-generic/vmlinux.lds.h
- #define INIT_CALLS_LEVEL(level) \
- __initcall##level##_start = .; \
- KEEP(*(.initcall##level##.init)) \
- KEEP(*(.initcall##level##s.init)) \
- #define INIT_CALLS \
- __initcall_start = .; \
- KEEP(*(.initcallearly.init)) \
- INIT_CALLS_LEVEL(0) \
- INIT_CALLS_LEVEL(1) \
- INIT_CALLS_LEVEL(2) \
- INIT_CALLS_LEVEL(3) \
- INIT_CALLS_LEVEL(4) \
- INIT_CALLS_LEVEL(5) \
- INIT_CALLS_LEVEL(rootfs) \
- INIT_CALLS_LEVEL(6) \
- INIT_CALLS_LEVEL(7) \
- __initcall_end = .;
由上可見，initcall相關(guān)的section有很多，我們上面例子中的.initcall5.init只是其中一個，除此之外還有 .initcall0.init，.initcall1.init等等這些section。
這些section都是通過宏INIT_CALLS_LEVEL來定義其處理規(guī)則的，相同level的section被放到同一塊內(nèi)存區(qū)域，不同level的section的內(nèi)存區(qū)域按level大小依次連接在一起。
對于上面的__initcall_inet_init5變量來說，它的section是.initcall5.init，它的level是5。
假設(shè)我們還有其他方法調(diào)用了宏fs_initcall，那該宏為該方法定義的靜態(tài)變量所屬的section也是.initcall5.init，level也是5。
由于該變量和__initcall_inet_init5變量所屬的initcall的level都相同，所以它們被連續(xù)放在同一塊內(nèi)存區(qū)域里。
也就是說，這些level為5的靜態(tài)變量所占的內(nèi)存區(qū)域是連續(xù)的，又因為這些變量的類型都為initcall_t，所以它們正好構(gòu)成了一個類型為initcall_t的數(shù)組，而數(shù)組的起始地址也在INIT_CALLS_LEVEL宏中定義了，就是__initcall5_start。
如果我們想要調(diào)用這些level為5的initcall，只要先拿到__initcall5_start地址，把其當(dāng)成元素類型為initcall_t的數(shù)組的起始地址，然后遍歷數(shù)組中的元素，獲取該元素對應(yīng)的函數(shù)指針，就可以通過該指針調(diào)用對應(yīng)的函數(shù)了。
來看下具體代碼：
- // init/main.c
- extern initcall_entry_t __initcall_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall0_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall1_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall2_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall3_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall4_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall5_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall6_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall7_start[];
- extern initcall_entry_t __initcall_end[];
- static initcall_entry_t *initcall_levels[] __initdata = {
- __initcall0_start,
- __initcall1_start,
- __initcall2_start,
- __initcall3_start,
- __initcall4_start,
- __initcall5_start,
- __initcall6_start,
- __initcall7_start,
- __initcall_end,
- };
- static void __init do_initcall_level(int level)
- {
- initcall_entry_t *fn;
- ...
- for (fn = initcall_levels[level]; fn < initcall_levels[level+1]; fn++)
- do_one_initcall(initcall_from_entry(fn));
- }
- static void __init do_initcalls(void)
- {
- int level;
- for (level = 0; level < ARRAY_SIZE(initcall_levels) - 1; level++)
- do_initcall_level(level);
- }
在上面的代碼中，do_initcalls方法遍歷了所有的合法level，對于每個level，do_initcall_level方法又調(diào)用了該level里所有函數(shù)指針指向的函數(shù)。
我們上面示例中的inet_init方法就屬于level 5，也是在這里被調(diào)用到的。
linux內(nèi)核就是通過這種方式來調(diào)用各個模塊的初始化方法的，很巧妙吧。
最后我們再來總結(jié)下：
1. 在各模塊的初始化方法之后，一般都會調(diào)用一個類似于fs_initcall(inet_init)的宏，該宏的參數(shù)是該模塊的初始化方法的方法名。
2. 該宏展開后的結(jié)果是定義一個靜態(tài)變量，該變量通過gcc的attribute來聲明其所屬的initcall level的section，比如inet_init方法對應(yīng)的靜態(tài)變量就屬于.initcall5.init這個section。
3. 在linux的鏈接腳本里，通過INIT_CALLS_LEVEL宏告知linker，將屬于同一level的所有靜態(tài)變量放到連續(xù)的一塊內(nèi)存中，組成一個元素類型為initcall_t的數(shù)組，該數(shù)組的起始地址放在類似__initcall5_start的變量中。
4. 在內(nèi)核的初始化過程中，會通過調(diào)用 do_initcalls方法，遍歷各個level里的各個函數(shù)指針，然后調(diào)用該指針指向的方法，即各模塊的初始化方法。
各個模塊的初始化方法就是這樣被調(diào)用的。
希望你喜歡。
